Биологическая роль химических элементов в живых организмах. Функции химических элементов в организме человека

Элементный состав организма

По химическому составу клетки разных организмов могут заметно отличаться, однако состоят они из одинаковых элементов. В клетках обнаружено около 70 элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева, но только 24 из них имеют важное значение и встречаются в живых организмах постоянно.

Макроэлементы – кислород, углеводород, водород, азот – входят в состав молекул органических веществ. К макроэлементам в последнее время относят калий, натрий, кальций, сера, фосфор, магний, железо, хлор. Их содержание в клетке составляет десятые и сотые доли процента.

Магний входит в состав хлорофилла; железо – гемоглобина; фосфор – костной ткани, нуклеиновых кислот; кальций – костей, черепашек моллюсков, сера – в состав белков; калий, натрий и хлор-ионы берут участие в смене потенциала клеточной мембраны.

Микроэлементы представлены в клетке сотыми и тысячными долями процента. Это цинк, медь, йод, фтор, молибден, бор и др.

Микроэлементы входят в состав ферментов, гормонов, пигментов.

Ультрамикроэлементы – элементы, содержание которых в клетке не превышает 0,000001%. Это уран, золото, ртуть, цезий и др.

Вода и её биологическое значение

Вода количественно занимает среди химических соединений первое место во всех клетках. В зависимости от типа клеток, их функционального состояния, вида организма и условий его нахождения её содержание в клетках существенно колеблется.

Клетки костной ткани содержат не больше 20% воды, жировой ткани – около 40%, мышечные клетки – 76%, а клетки зародыша – более 90%.

Замечание 1

В клетках любого организма с возрастом количество воды заметно уменьшается.

Отсюда – вывод, что чем выше функциональная активность организма в целом и каждой клетки отдельно тем большим в них есть содержание воды, и наоборот.

Замечание 2

Обязательным условием жизненной активности клеток является наличие воды. Она является основной частью цитоплазмы, поддерживает её структуру и стойкость коллоидов, входящих в состав цитоплазмы.

Роль воды в клетке определяется её химическими и структурными свойствами. Прежде всего это связано с небольшим размером молекул, их полярностью и способностью соединяться с помощью водородных связей.

Водородные связи образуются при участии атомов водорода, соединённых с электронегативным атомом (обычно кислородом или азотом). При этом атом Гидрогена приобретает настолько большой позитивный заряд, что может образовать новую связь с другим электронегативным атомом (кислорода или азота). Так же связываются друг с другом молекулы воды, у которых один конец имеет позитивный заряд, а другой – негативный. Такую молекулу называют диполем . Более электронегативный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к позитивно заряженному атому водорода другой молекулы с образованием водородной связи.

Благодаря тому, что молекулы воды полярные и способны образовывать водородные связи, вода является совершенным растворителем для полярных веществ, которые называются гидрофильными . Такими являются соединения ионного характера, в которых заряженные частички (ионы) диссоциируют (разделяются) в воде при растворении вещества (соли). Такую же способность имеют и некоторые неионные соединения, в молекуле которых находятся заряженные (полярные) группы (в сахарах, аминокислотах, простых спиртах это ОН-группы). Вещества, состоящие из неполярных молекул (липиды), в воде практически нерастворимы, то есть они гидрофобы .

При переходе вещества в раствор, его структурные частички (молекулы или ионы) приобретают возможность двигаться свободнее, а, соответственно, возрастает реакционная способность вещества. Благодаря этому вода является основной средой, где происходит большинство химических реакций. Кроме того, все окислительно-восстановительные реакции и реакции гидролиза проходят при непосредственном участии воды.

Вода имеет наибольшую удельную теплоёмкость среди всех известных веществ. Это означает, что при существенном увеличении тепловой энергии температура воды повышается сравнительно немного. Это обусловлено использованием значительного количества этой энергии на разрыв водородных связей, которые ограничивают подвижность молекул воды.

Благодаря большой теплоёмкости вода служит защитой для тканей растений и животных от сильного и быстрого повышения температуры, а высокая теплота парообразования является основой для надёжной стабилизации температуры тела организма. Необходимость значительного количества энергии для испарения воды вызвана тем, что между её молекулами существуют водородные связи. Эта энергия поступает из окружающей среды, потому испарение сопровождается охлаждением. Этот процесс можно наблюдать во время потоотделения, в случае тепловой задышки у собак, важна она и в процессе охлаждения транспирирующих органов растений, особенно в пустынных условиях и в условиях сухих степей и периодов засухи в других регионах.

Вода имеет так же высокую теплопроводность, чем обеспечивается равномерное распределение тепла по организму. Таким образом нет риска возникновения локальных «горячих точек», которые могут стать причиной повреждения элементов клеток. Значит, высокая удельная теплоёмкость и высокая для жидкости теплопроводность делают воду идеальной средой для поддержания оптимального теплового режима организма.

Для воды характерно высокое поверхностное натяжение. Это её свойство очень важно для адсорбционных процессов, движения растворов по тканях (кровообращение, восходящее и нисходящее движение по растению и т.п.).

Вода используется как источник кислорода и водорода, которые выделяются во время световой фазы фотосинтеза.

К важным физиологическим свойствам воды относится её способность растворять газы ($O_2$, $CO_2$ и др.). Кроме того, вода как растворитель участвует в процессе осмоса, что играет важную роль в жизнедеятельности клеток и организма.

Свойства углеводорода и его биологическая роль

Если не брать во внимание воду, можно сказать, что большая часть молекул клетки принадлежит к углеводородным, так называемым органическим, соединениям.

Замечание 3

Углеводород, имея уникальные химические способности, фундаментальные для жизни, составляет её химическую основу.

Благодаря небольшому размеру и наличию на внешней оболочке четырёх электронов атом углеводорода может образовывать четыре крепких ковалентных связи с другими атомами.

Самое важное значение имеет способность атомов углеводорода соединяться друг с другом, образуя цепи, кольца и, в конце концов, скелет больших и сложных органических молекул.

К тому же углеводород легко образует ковалентные связи с другими биогенными элементами (обычно с $H, Mg, P, O, S$). Именно этим объясняется существование астрономического количества разнообразных органических соединений, которые обеспечивают существование живых организмов во всех его проявлениях. Разнообразие их проявляется в структуре и размерах молекул, их химических свойствах, степени насыщенности карбонового скелета и различной форме молекул, что определяется углами внутримолекулярных связей.

Биополимеры

Это высокомолекулярные (молекулярная масса 103 – 109) органические соединения, макромолекулы которых состоят из большого количества звеньев, которые повторяются, - мономеров.

К биополимерам относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и их производные (крахмал, гликоген, целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества, хитин и пр.). Мономерами для них являются соответственно аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды.

Замечание 4

Около 90% сухой массы клетки составляют биополимеры: у растений преобладают полисахариды, а у животных – белки.

Пример 1

В клетке бактерий находится около 3 тыс. видов белков и 1 тыс. нуклеиновых кислот, а у человека количество белков оценивают в 5 млн.

Биополимеры не только образуют структурную основу живых организмов, но и в процессах жизнедеятельности играют проводящую роль.

Структурной основой биополимеров являются линейные (белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза) или разветвлённые (гликоген) цепи.

И нуклеиновых кислот, имунные реакции, реакции обмена веществ - и осуществляются благодаря образованию биополимерных комплексов и другим свойствам биополимеров.

Сегодня обнаружено и выделено в чистом виде много химических элементов таблицы Менделеева, а пятая их часть встречается в каждом живом организме. Они, подобно кирпичикам, являются главными составляющими органических и неорганических веществ.

Какие химические элементы входят в состав клетки, по биологии каких веществ можно судить об их наличии в организме - все это мы рассмотрим далее в статье.

Что такое постоянство химического состава

Для соблюдения стабильности в организме каждая клетка должна поддерживать концентрацию каждой своей составляющей на постоянном уровне. Этот уровень определяется видовой принадлежностью, средой обитания, экологическими факторами.

Чтобы ответить на вопрос, какие химические элементы входят в состав клетки, необходимо четко понимать, что в составе любого вещества находятся какие-либо из составляющих таблицы Менделеева.

Порой идет речь о сотых и тысячных долях процента содержания определенного элемента в клетке, но при этом изменение названного числа хотя бы на тысячную часть уже может нести серьезные последствия для организма.

Из 118 химических элементов в клетке человека должно быть как минимум 24. Нет таких составляющих, которые встречались бы в живом организме, но не входили в состав неживых объектов природы. Этот факт подтверждает тесную связь между живым и неживым в экосистеме.

Роль различных элементов, входящих в состав клетки

Так какие химические элементы входят в состав клетки? Их роль в жизнедеятельности организма, следует заметить, напрямую зависит от частоты встречаемости и концентрации их в цитоплазме. Однако, несмотря на разное содержание элементов в клетке, значимость каждого из них в равной степени высока. Дефицит любого из них может привести к пагубному воздействию на организм, отключив из метаболизма важнейшие биохимические реакции.

Перечисляя, какие химические элементы входят в состав клетки человека, нужно упомянуть три основных вида, которые мы рассмотрим далее:

Основные биогенные элементы клетки

Неудивительно, что элементы О, С, Н, N относятся к биогенным, ведь именно они образуют все органические и многие неорганические вещества. Невозможно представить белки, жиры, углеводы или нукленовые кислоты без этих важнейших для организма составляющих.

Функция этих элементов определила их высокое содержание в организме. На их долю в совокупности приходится 98% от всей сухой массы тела. В чем еще может проявляться активность этих ферментов?

Кислород. Его содержание в клетке около 62% от общей сухой массы. Функции: построение органических и неорганических веществ, участие в цепи дыхания;
Углерод. Его содержание достигает 20%. Основная функция: входит в состав всех ;
Водород. Его концентрация принимает значение в 10%. Кроме того, что этот элемент является составляющей органических веществ и воды, он также учавствует в преобразованиях энергии;
Азот. Количество не превышает 3-5%. Его основная роль - это образование аминокислот, нуклеиновых кислот, АТФ, многих витаминов, гемоглобина, гемоцианина, хлорофилла.

Вот какие химические элементы входят в состав клетки и образуют большинство необходимых для нормальной жизнедеятельности веществ.

Значение макроэлементов

Макроэлементы также помогут подсказать, какие химические элементы входят в состав клетки. Из курса биологии становится понятно, что, кроме основных, 2% сухой массы составляют другие составляющие периодической таблицы. И к макроэлементам относятся те из них, содержание которых не ниже 0,01%. Их основные функции представлены в виде таблицы.


Кальций (Са)		Отвечает за сокращение мышечных волокон, входит в состав пектина, костей и зубов. Усиливает свертываемость крови.
Фосфор (Р)		Входит в состав важнейшего источника энергии - АТФ.
		Участвует в образовании дисульфидных мостиков при сворачивании белка в третичную структуру. Входит в состав цистеина и метионина, некоторых витаминов.
		Ионы калия участвуют в клетки, а также влияют на потенциал мембраны.
		Главный анион организма
Натрий (Na)		Аналог калия, участвующий в тех же процессах.
Магний (Mg)		Ионы магния - это регуляторы процесса В центре молекулы хлорофилла также распологается атом магния.
		Участвует в транспорте электронов по ЭТЦ дыхания и фотосинтеза, является структурным звеном миоглобина, гемоглобина и многих ферментов.

Надеемся, из перечисленного несложно определить, какие химические элементы входят в состав клетки и относятся к макроэлементам.

Микроэлементы

Есть и такие составляющие клетки, без которых организм не может нормально функционировать, однако их содержание всегда меньше 0,01%. Давайте определим, какие химические элементы входят в состав клетки и относятся к группе микроэлементов.


		Входит в состав ферментов ДНК- и РНК-полимераз, а также многих гормонов (например, инсулин).
		Участвует в процессах фотосинтеза, синтеза гемоцианина и некоторых ферментов.
		Является структурной составляющей гормонов Т3 и Т4 щитовидной железы
Марганец (Mn)	менее 0,001	Входит в состав ферментов, костей. Участвует в азотфиксации у бактерий
	менее 0,001	Влияет на процесс роста растений.
		Входит в состав костей и эмали зубов.

Органические и неорганические вещества

Кроме перечисленных, еще какие химические элементы входят в состав клетки? Ответы можно найти, просто изучив строение большинства веществ организма. Среди них выделяют молекулы органического и неорганического происхождения, и каждая из этих групп имеет в составе фиксированный набор элементов.

Основные классы органических веществ - это белки, нуклеиновые кислоты, жиры и углеводы. Они построены полностью из основных биогенных элементов: скелет молекулы всегда образован углеродом, а водород, кислород и азот входят в состав радикалов. У животных доминирующим классом являются белки, а у растений - полисахариды.

Неорганические вещества - это все минеральные соли и, конечно же, вода. Среди всей неорганики в клетке больше всего Н 2 О, в которой растворены остальные вещества.

Все сказанное выше поможет вам определить, какие химические элементы входят в состав клетки, и их функции в организме больше не будут для вас загадкой.

В современных условиях одной из самых актуальных проблем преподавания химии становится обеспечение практической ориентированности предметного знания. Это означает необходимость выяснения тесной взаимосвязи между изучаемыми теоретическими положениями и практикой жизни, демонстрации прикладного характера химических знаний. Учащиеся с интересом начинают изучать химию. Для того чтобы сохранить познавательный интерес учащихся, нужно убедить их в действенности химических знаний, сформировать личную потребность в овладении учебным материалом.

Цель данного урока: расширить кругозор учащихся и повысить познавательный интерес к изучению предмета, формировать мировоззренческие понятия о познаваемости природы. Этот урок предлагается провести в 8 классе после изучения химических элементов Периодической системы, когда у ребят уже есть представление об их многообразии.

ХОД УРОКА

Учитель:

Другого ничего в природе нет
Ни здесь, ни там, в космических глубинах:
Все – от песчинок малых до планет –
Из элементов состоит единых.
Как формула, как график трудовой,
Строй менделеевской системы строгий.
Вокруг тебя творится мир живой,
Входи в него, вдыхай, руками трогай.

Урок начинается театрализованной сценкой “Кто в таблице всех важнее?” (см. Приложение 1 ).

Учитель: В организме человека находятся 81 химический элемент из 92 встречающихся в природе. Человеческий организм – сложная химическая лаборатория. Трудно себе представить, что ежедневно наше самочувствие, настроение и даже аппетит могут зависеть от минеральных веществ. Без них бесполезными оказываются витамины, невозможны синтез и распад белков, жиров и углеводов.

На столах у учеников – таблицы “Биологическая роль химических элементов” (см. Приложение 2 ). Дается время на знакомство с ней. Учитель вместе с учениками проводит анализ таблицы, задавая вопросы.

Учитель: Основу жизни составляют шесть элементов первых трех периодов (H, C, N, О, Р, S), на долю которых приходится 98% массы живого вещества (остальные элементы периодической системы составляют не более 2%).
Три основных признака биогенных элементов (H, C, N, O, P, S):

малый размер атомов,
небольшая относительная атомная масса,
способность образовывать прочные ковалентные связи.

Ученикам раздаются тексты (см. Приложение 3 ). Задание: внимательно прочитать текст; выделить элементы, необходимые для жизни, и элементы, опасные для живых организмов; найти их в Периодической системе и объяснить их роль.
После выполнения задания несколько учеников проводят анализ разных текстов.

Учитель: Элементы-аналоги в природной среде вступают в конкуренцию и могут взаимозаменяться в живых организмах, отрицательно на них влияя.
Замена натрия и калия в организмах животных и человека на литий вызывает расстройства нервной системы, так как в этом случае клетки не проводят нервный импульс. Подобные нарушения приводят к шизофрении.
Таллий, биологический конкурент калия, заменяет его в стенках клеток, поражает центральную и периферическую нервную систему, желудочно-кишечный тракт и почки.
Селен может заменить серу в составе белков. Это единственный элемент, который при высоком содержании в растениях может вызвать внезапную смерть животных и человека, употребивших их в пищу.
Кальций при его недостатке в почве заменяется в организме на стронций, который постепенно нарушает нормальную структуру скелета. Особенно опасна замена кальция на стронций-90, который в огромных количествах накапливается в местах ядерных взрывов (при испытании ядерного оружия) или при авариях на АЭС. Этот радионуклид разрушает костный мозг.
Кадмий конкурирует с цинком. Этот элемент снижает активность пищеварительных ферментов, нарушает процесс образования гликогена в печени, вызывает деформацию скелета, угнетает рост костей, а также вызывает тяжелые боли в пояснице и в мышцах ног, хрупкость костей (например, перелом ребер при кашле). Другие негативные последствия – рак легких и прямой кишки, нарушение функции поджелудочной железы. Поражение почек, снижение содержания в крови железа, кальция, фосфора. Этот элемент тормозит процессы самоочищения в водных и наземных растениях (отмечается, например, 20-30-кратное увеличение кадмия в листьях табака).
Галогены могут очень легко взаимозаменяться в организме. Избыток фтора в окружающей среде (фторированная вода, загрязнение почвы соединениями фтора вокруг предприятия по производству алюминия и другие причины) препятствует поступлению в организм человека йода. В связи с этим возникают заболевания щитовидной железы, эндокринной системы в целом.

Сообщения учащихся, подготовленные заранее.

1-й учащийся:

Средневековые алхимики считали золото совершенством, а остальные металлы – ошибкой в акте творения и, как известно, прикладывали большие усилия к ликвидации этой ошибки. Идею введения золота в медицинскую практику приписывают Парацельсу, который провозгласил, что целью химии должно быть не превращение всех металлов в золото, а приготовление лекарств. Лекарственные препараты из золота и его соединений пытались применять при многих заболеваниях. Им лечили проказу, волчанку, туберкулез. У людей, чувствительных к золоту, оно могло вызвать нарушение состава крови, реакцию со стороны почек, печени, влиять на настроение, рост зубов, волос. Золото обеспечивает работу нервной системы. Оно содержится в кукурузе. А крепость кровеносных сосудов зависит от германия. Единственный продукт питания, содержащий германий, – чеснок.

2-й учащийся:

В человеческом организме наибольшее количество меди содержится в мозге и печени, и одно это обстоятельство указывает на ее важность в жизнедеятельности. Обнаружено, что при болях повышается концентрация меди в крови и спинномозговой жидкости. В Сирии и Египте новорожденным для профилактики рахита и эпилепсии надевают медные браслеты.

3-й учащийся:

АЛЮМИНИЙ

Алюминиевую посуду называют посудой бедняков, так как этот металл способствует развитию старческого атеросклероза. При приготовлении пищи в такой посуде алюминий частично переходит в организм, где и накапливается.

4-й учащийся:

Какой элемент содержится в яблоках? (Железо.)
Какова его биологическая роль? (В организме содержится 3 г железа, из них 2 г – в крови. Железо входит в состав гемоглобина. Недостаточное содержание железа приводит к головной боли, быстрой утомляемости.)

Затем учащиеся проводят лабораторный опыт, цель которого – экспериментально доказать действие солей некоторых металлов на белок. Они смешивают белок с растворами щелочи и медного купороса и наблюдают выпадение фиолетового осадка. Делают вывод о разрушении белка.

5-й учащийся:

Человек – он ведь тоже природа.
Он ведь тоже закат и восход.
И четыре в нем времени года.
И особый в нем музыки ход.

И особое таинство цвета,
То с жестоким, то с добрым огнем.
Человек – он зима. Или лето.
Или осень. С грозой и дождем.

Все вместил в себя – версты и время.
И от атомных бурь он ослеп.
Человек – он и почва, и семя.
И сорняк среди поля. И хлеб.

И какая в нем брезжит погода?
Сколько в нем одиночества? Встреч?
Человек – он ведь тоже природа…
Так давайте природу беречь!

(С. Островой)

Для закрепления полученных на уроке знаний проводится тест “Улыбка” (см. Приложение 4 ).
Далее предлагается заполнить кроссворд “Химический калейдоскоп” (см. Приложение 5 ).
Учитель подводит итог урока, отмечая наиболее активных учеников.

6-й учащийся:

Перемена, перемена!
Заливается звонок.
Наконец-то он закончен,
Надоедливый урок!

Дернув серу за косичку,
Мимо магний пробежал.
Йод из класса испарился,
Будто вовсе не бывал.

Фтор поджег случайно воду,
Хлор чужую книжку съел.
Углерод вдруг с водородом
Невидимкой стать успел.

Калий, бром в углу дерутся:
Не поделят электрон.
Кислород – шалун на боре
Мимо проскакал верхом.

Используемая литература:

О.В. Байдалина О прикладном аспекте химических знаний. “Химия в школе” № 5, 2005 г.
Химия и экология в школьном курсе. “Первое сентября” № 14, 2005 г.
И. Н. Пименова, А. В. Пименов “Лекции по общей биологии”, учебное пособие, Саратов, ОАО Издательство “Лицей”, 2003 г.
О химии в стихах, Кто в таблице всех главнее? “Первое сентября”, № 15, 2005 г.
Металлы в организме человека.“Химия в школе”, № 6 , 2005 г.
Кроссворд “Химический калейдоскоп”. “Первое сентября”, №1 4, 2005 г.
“Я иду на урок химии”. Книга для учителя. М. “Первое сентября”, 2002 г., стр. 12.

Биологическая роль химических элементов в живых организмах

1. Макро и микроэлементы в среде и организме человека

Биологическая роль химических элементов в организме человека чрезвычайно разнообразна.

Главная функция макроэлементов состоит в построении тканей, поддержании постоянства осмотического давления, ионного и кислотно-основного состава.

Микроэлементы, входя в состав ферментов, гормонов, витаминов, биологически активных веществ в качестве комплексообразователей или активаторов, участвуют в обмене веществ, процессах размножения, тканевом дыхании, обезвреживании токсических веществ. Микроэлементы активно влияют на процессы кроветворения, окисления - восстановления, проницаемость сосудов и тканей. Макро- и микроэлементы - кальций, фосфор, фтор, йод, алюминий, кремний определяют формирование костной и зубной тканей.

Имеются данные, что содержание некоторых элементов в организме человека меняется с возрастом. Так, содержание кадмия в почках и молибдена в печени к старости повышается. Максимальное содержание цинка наблюдается в период полового созревания, затем оно понижается и в старости доходит до минимума. Уменьшается с возрастом и содержание других микроэлементов, например ванадия и хрома.

Выявлено немало заболеваний, связанных с недостатком или избыточным накоплением различных микроэлементов. Дефицит фтора вызывает кариес зубов, дефицит йода - эндемический зоб, избыток молибдена - эндемическую подагру. Такого рода закономерности связаны с тем, что в организме человека поддерживается баланс оптимальных концентраций биогенных элементов - химический гомеостаз. Нарушение этого баланса вследствие недостатка или избытка элемента может приводить к различным заболеваниям.

Кроме шести основных макроэлементов -- органогенов - углерода, водорода, азота, кислорода, серы и фосфора, из которых состоят углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты, для нормального питания человека и животных необходимы «неорганические» макроэлементы - кальций, хлор, магний, калий, натрий - и микроэлементы - медь, фтор, йод, железо, молибден, цинк, а также, возможно (для животных доказано), селен, мышьяк, хром, никель, кремний, олово, ванадий.

Недостаток в пищевом рационе таких элементов, как железо, медь, фтор, цинк, йод, кальций, фосфор, магний и некоторых других, приводит к серьезным последствиям для здоровья человека.

Однако необходимо помнить, что для организма вреден не только недостаток, но и избыток биогенных элементов, так как при этом нарушается химический гомеостаз. Например, при поступлении избытка марганца с пищей в плазме повышается уровень меди (синергизм Мn и Сu), а в почках он снижается (антагонизм). Повышение содержания молибдена в продуктах питания приводит к увеличению количества меди в печени. Избыток цинка в пище вызывает угнетение активности железосодержащих ферментов (антагонизм Zn и Fe).

Минеральные компоненты, которые в ничтожно малых количествах являются жизненно необходимыми, при более высоких концентрациях становятся токсичными.

Ряд элементов (серебро, ртуть, свинец, кадмий и др.) считаются токсичными, так как попадание их в организм уже в микроколичествах приводит к тяжелым патологическим явлениям. Химический механизм токсического воздействия некоторых микроэлементов будет рассмотрен ниже.

Биогенные элементы нашли широкое применение в сельском хозяйстве. Добавление в почву незначительных количеств микро элементов - бора, меди, марганца, цинка, кобальта, молибдена - резко повышает урожайность многих культур. Оказывается, что микроэлементы, увеличив активность ферментов в растениях, способствуют синтезу белков, витаминов, нуклеиновых кислот, сахаров и крахмала. Некоторые из химических элементов положительно действуют на фотосинтез, ускоряют рост и развитие растений, созревание семян. Микроэлементы добавляют в корм животным, чтобы повысить их продуктивность.

Широко используют различные элементы и их соединения в качестве лекарственных средств.

Таким образом, изучение биологической роли химических элементов, выяснение взаимосвязи обмена этих элементов и других биологически активных веществ - ферментов, гормонов, витаминов способствует созданию новых лекарственных препаратов и разработке оптимальных режимов их дозирования как с лечебной, так и с профилактической целью.

Основой для изучения свойств элементов и, в частности, их биологической роли является периодический закон Д.И. Менделеева. Физико-химические свойства, а, следовательно, их физиологическая и патологическая роль, определяются положением этих элементов в периодической системе Д.И. Менделеева.

Как правило, с увеличением заряда ядра атомов увеличивается токсичность элементов данной группы и уменьшается их содержание в организме. Уменьшение содержания, очевидно, связано с тем, что многие элементы длинных периодов из-за больших атомных и ионных радиусов, высокого заряда ядра, сложности электронных конфигураций, малой растворимости соединений плохо усваиваются живыми организмами. В организме в значительных количествах содержатся легкие элементы.

К макроэлементам относятся s-элементы первого (водород), третьего (натрий, магний) и четвертого (калий, кальций) периодов, а также р-элементы второго (углерод, азот, кислород) и третьего (фосфор, сера, хлор) периодов. Все они жизненно необходимы. Большинство остальных s- и р-элементов первых трех периодов (Li, В, Al, F) физиологически активны, s- и р-элементы больших периодов (n>4) редко выступают в качестве незаменимых. Исключение составляют s-элементы - калий, кальций, йод. К физиологически активным относят некоторые s- и р-элементы четвертого и пятого периодов - стронций, мышьяк, селен, бром.

Среди d-элементов жизненно необходимы в основном элементы четвертого периода: марганец, железо, цинк, медь, кобальт. В последнее время установлено, что несомненна физиологическая роль и некоторых других d-элементов этого периода: титана, хрома, ванадия.

d-Элементы, пятого и шестого периодов, за исключением молибдена, не проявляют выраженной положительной физиологической активности. Молибден же входит в состав ряда окислительно-восстановительных ферментов (например, ксантиноксида-, альдегидоксидазы) и играет большую роль в протекании биохимических процессов.

2. Общие аспекты токсичности тяжелых металлов для живых организмов

Всестороннее изучение проблем, связанных с оценкой состояния природной среды показывает, что весьма трудно провести четкую границу между природными и антропогенными факторами изменения экологических систем. Последние десятилетия убедили нас в том. что воздействие человека на природу наносит ей не только непосредственный, легко определяемый ущерб, но и вызывает ряд новых, часто скрытых процессов, трансформирующих иди разрушающих окружающую среду. Естественные и антропогенные процессы в биосфере находятся в сложной взаимосвязи и взаимозависимости. Так, на ход химических превращений, приводящих к образованию токсических веществ, оказывают влияние климат, состояние почвенного покрова, вода, воздух, уровень радиоактивности и т.д. В сложившихся условиях при изучении процессов химического загрязнения экосистем возникает проблема нахождения естественных, обусловленных в основном природными факторами, уровней содержания тех или иных химических элементов или соединений. Решение данной проблемы возможно только на основе проведения длительных систематических наблюдений за состоянием компонентов биосферы, за содержанием в них различных веществ, то есть па основе проведения экологического мониторинга.

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами имеет прямое отношение к эколого-аналитическому мониторингу супертоксикантов, поскольку многие из них проявляют высокую токсичность уже в следовых количествах и способны концентрироваться в живых организмах.

Основные источники загрязнения природной среды тяжелыми металлами можно разделить на естественные (природные) и искусственные (антропогенные). К естественным относят извержение вулканов, пыльные бури, лесные и степные пожары, морские соли, поднятые ветром, растительность и др. Естественные источники загрязнения носят либо систематический равномерный, либо кратковременный стихийный характер и, как правило, мало влияют на общий уровень загрязнения. Главными и наиболее опасными источниками загрязнения природы тяжелыми металлами являются антропогенные.

В процессе изучения химии металлов и их биохимических циклов в биосфере обнаруживается двойственная роль, которую они играют в физиологии: с одной стороны, большинство металлов являются необходимыми для нормального течения жизни; с другой, при повышенных концентрациях они проявляют высокую токсичность, то есть оказывают вредное влияние на состояние и активность живых организмов. Граница между необходимыми и токсичными концентрациями элементов весьма расплывчата, что осложняет проведение достоверной оценки их воздействия на окружающую среду. Количество, при котором некоторые металлы становятся действительно опасными, зависит не только от степени загрязнения ими экосистем, но также от химических особенностей их биохимического цикла. В табл. 1 представлены ряды молярной токсичности металлов для разных видов живых организмов.

Таблица 1. Представительная последовательность молярной токсичности металлов

ОрганизмыРяды токсичностиВодорослиНg>Сu>Сd>Fе>Сr>Zn>Со>МnГрибкиАg>Нg>Сu>Сd>Сr>Ni>Рb>Со>Zn>FеЦветущие растенияHg>Рb>Сu>Сd>Сr>Ni>ZnКольчатые червиHg>Сu>Zn > Рb> СdРыбыАg>Нg>Сu> Рb>Сd>Al> Zn> Ni> Сr >Со >Mn>>SrМлекопитающиеАg, Нg, Сd> Сu, Рb, Sn, Be>> Mn, Zn, Ni, Fe, Сr >> Sr >Сs, Li, Al

Для каждого вида организма порядок расположения металлов в рядах таблицы слева направо отражает увеличение молярного количества металла, необходимого для проявления эффекта токсичности. Минимальная молярная величина относится к металлу с наибольшей токсичностью.

В.В. Ковальский, исходя из значимости для жизнедеятельности, подразделил химические элементы на три группы:

Жизненно необходимые (незаменимые) элементы, постоянно содержащиеся в организме (входят в состав ферментов, гормонов и витаминов): Н, О, Са, N, К, Р, Nа, S, Mg, Cl, С, I, Мn, Сu, Со, Fe, Мо, V. Их дефицит приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности человека и животных.

Таблица 2. Характеристика некоторых металлоферментов - бионеорганических комплексов

МеталлоферментЦентральный атомЛигандное окружениеОбъект концентрацииДействие ферментаКарбоангидразаZn (II)Аминокислотные остаткиЭритроцитыКатализирует обратимую гидратацию углекислого газа: СО2+Н2О↔Н2СО3↔Н++НСО3КарбоскипептидазаZn (II)Аминокислотные остаткиПоджелудочная железа, печень, кишечникКатализирует переваривание белков, участвует в гидролизе пептидной связи: R1CO-NH-R2+H2O↔R1-COOH+R2NH2КаталазаFe (III)Аминокислотные остатки, гистидин, тирозинКровьКатализирует реакцию разложения пероксида водорода: 2Н2О2 = 2Н2О + О2ПероксидазаFe (III)БелкиТкань, кровьОкисление субстратов (RH2) пероксида водорода: RH2 + H2O2 = R + 2H2OОксиредуктазаCu (II)Аминокислотные остаткиСердце, печень, почкиКатализирует окисление с помощью молекулярного кислорода: 2H2R + O2 = 2R + 2H2OПируваткарбоксилазаMn (II)Белки тканейПечень, щитовидная железа Усиливает действия гормонов. Катализирует процесс карбоксилирования пировиноградной кислотойАльдегидоксидазаMo (VI)Белки тканейПеченьУчаствует в окислении альдегидовРибонуклеотидредуктазаCo (II)Белки тканейПеченьУчаствует в биосинтезе рибонуклеиновых кислот

примесные элементы, постоянно содержащиеся в организме: Ga, Sb, Sr, Br, F, B, Be, Li, Si, An, Cs, Al, Ba, Ge, As, Rb, Pb, Ra, Bi, Cd, Cr, Ni, Ti, Ag, Th, Hg, U, Se. Биологическая роль их мало выяснена или неизвестна.
примесные элементы, обнаруженные в организме Sc, Tl, In, La, Pr, Sm, W, Re, Tb и др. Данные о количестве и биологическая роль не выяснены.
В таблице приведена характеристика ряда металлоферментов, в состав которых входят такие жизненно необходимые металлы, как Zn, Fe, Cu, Mn, Mo.
В зависимости от поведения в живых системах металлы можно разделить на 5 типов:
- необходимые элементы, при недостатке которых в организме возникают функциональные нарушения;
- стимуляторы (в качестве стимуляторов могут выступать как необходимые, так и не необходимые для организма металлы);
инертные элементы, при определенных концентрациях являющиеся безвредными, не оказывающими какого-либо действия на организм (например, инертные металлы, используемые в качестве хирургических имплантатов):
терапевтические агенты, используемые в медицине;
токсичные элементы, при высоких концентрациях приводящие к необратимым функциональным нарушениям, гибели организма.
В зависимости от концентрации и времени контакта металл может действовать по одному из указанных типов.
На рисунке 1 представлена диаграмма зависимости состояния организма от концентрации ионов металла. Сплошная кривая на диаграмме описывает немедленный положительный ответ, оптимальный уровень и переход положительного эффекта к негативному после прохождения значений концентрации необходимого элемента через максимум. При высоких концентрациях необходимый металл переходит в разряд токсичных.
Пунктирная кривая демонстрирует биологический ответ на токсичный для организма металл, не обладающий эффектом необходимого или стимулирующего элемента. Эта кривая идет с некоторым запаздыванием, которое свидетельствует о способности живого организма «не реагировать» на небольшие количества токсичного вещества (пороговая концентрация).
Из диаграммы следует, что необходимые элементы становятся токсичными в избыточных количествах. Организм животных и человека поддерживает концентрацию элементов в оптимальном интервале посредством комплекса физиологических процессов, называемого гомеостазом. Концентрация всех без исключения необходимых металлов находится под строгим контролем гомеостаза.

Рис.1 Биологический ответ в зависимости от концентрации металла. (Взаимное расположение двух кривых относительно шкалы концентраций условно)
металл токсичность ион отравление
Особый интерес представляет содержание химических элементов в организме человека. Органы человека по-разному концентрируют в себе различные химические элементы, то есть макро- и микроэлементы неравномерно распределяются между разными органами и тканями. Большинство микроэлементов (содержание в организме находится в пределах 10-3-10-5%) накапливается в печени, костной и мышечных тканях. Эти ткани являются основным депо для многих металлов.
Элементы могут проявлять специфическое сродство по отношению к некоторым органам и содержаться в них в высоких концентрациях. Известно, что цинк концентрируется в поджелудочной железе, йод в щитовидной железе, ванадий наряду с алюминием и мышьяком накапливается в волосах и ногтях, кадмий, ртуть, молибден - в почках, олово в тканях кишечника, стронций - в предстательной железе, костной ткани, марганец в гипофизе и т.д. В организме микроэлементы могут находиться как в связанном состоянии, так и в виде свободных ионных форм. Установлено, что алюминий, медь и титан в тканях головного мозга находятся в виде комплексов с белками, тогда как марганец - ионном виде.
В ответ па поступление в организм избыточных концентраций элементов живой организм способен ограничивать или даже устраняй, возникающий при этом токсический эффект благодаря наличию определенных механизмов детоксикации. Специфические механизмы детоксикации в отношении ионов металлов в настоящее время изучены недостаточно. Многие металлы в организме могут переходить в менее вредные формы следующими путями:
образование нерастворимых комплексов в кишечном тракте;
транспорт металла с кровью в другие ткани, где он может быть, иммобилизован (как, например. Pb+2 в костях);

- превращение печенью и почками в менее токсичную форму.

Так, в ответ на действие токсичных ионов свинца, ртути, кадмия и др. печень и почки человека увеличивают синтез металлотионинов - белков невысокой молекулярной массы, в составе которых примерно 1/3 аминокислотных остатков является цистеином. Высокое содержание и определенное расположение сульфгидрильных SH- групп обеспечивают возможность прочного связывания ионов металлов.

Механизмы токсичности металлов в целом хорошо известны, однако весьма сложно найти их для какого-то конкретного металла. Один из таких механизмов - концентрация между необходимыми и токсичными металлами за обладание местами связывания в белках, так как ионы металлов стабилизируют и активируют многие белки, входя в состав многих ферментных систем. Кроме того, многие белковые макромолекулы имеют свободные сульфгидрильные группы, способные вступать во взаимодействие с ионами токсичных металлов, таких как кадмий, свинец и ртуть, что приводит к возникновению токсичных эффектов. Тем не менее, точно не установлено, какие именно макромолекулы при этом наносят вред живому организму. Проявление токсичности ионов металлов в разных органах и тканях не всегда связано с уровнем их накопления - нет гарантии в том, что наибольший урон имеет место в той части организма, где концентрация данного металла выше. Так ионы свинца (II), будучи более чем на 90% от общего количества в организме иммобилизованными в костях, проявляют токсичность за счет 10%, распределенных в иных тканях организма. Иммобилизацию ионов свинца в костях можно рассматривать как процесс детоксикации.

Токсичность иона металла обычно не связана с его необходимостью для организма. Однако для токсичности и необходимости имеется одна общая черта: как правило, существует взаимосвязь ионов металлов друг от друга, ровно, как и между ионами металлов и неметаллов, в общем вкладе в эффективность их действия. Так, например, токсичность кадмия проявляется ярче в системе с недостаточностью по цинку, а токсичность свинца усугубляется недостаточностью по кальцию. Сходным образом адсорбцию железа из овощной пищи подавляют присутствующие в ней комплексообразующие лиганды, а избыток ионов цинка может ингибировать адсорбцию меди и т.д.

Определение механизмов токсичности ионов металлов часто осложняется существованием различных путей их проникновения в живой организм. Металлы могут попадать с пищей, водой, впитываться через кожу, проникать путем ингаляции и др. Поглощение с пылью - вот главный путь проникновения при промышленном загрязнении. В результате вдыхания большинство металлов оседает в легких и только потом распространяется в другие органы. Но наиболее распространенный путь поступления токсичных металлов в организм - прием с пищей и водой.

Библиографический список

1. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. - М.: Химия, 1993. - 590 с.

Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. Учебник для вузов. - М.: Высш. шк., 2001. - 679 с.

Дроздов Д.А, Зломанов В.П., Мазо Г.Н., Спиридонов Ф.М. Неорганическая химия. В 3-х томах. Т. Химия непереходных элементов. / Под ред. Ю.Д. Третьякова - М.: Изд. «Академия», 2004, 368с.

5. Тамм И.Е., Третьяков Ю.Д. Неорганическая химия: В 3-х томах, Т.1. Физико-химические основы неорганической химии. Учебник для студентов ВУЗв / Под ред. Ю.Д. Третьякова. - М.: Изд. «Академия», 2004, 240с.

Коржуков Н.Г. Общая и неорганическая химия. Учеб. Пособие. /Под ред В.И. Деляна-М.: Изд. МИСИС: ИНФРА-М, 2004, 512с.

Ершов Ю.А., Попков В.А., Берлянд А.С., Книжник А.З. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. Учебник для ВУЗов. /Под ред. Ю.А. Ершова. 3-е изд., - М.: Интеграл-Прес, 2007. - 728 с.

Глинка Н.Л. Общая химия. Учебное пособие для ВУЗов. Изд. 30-е исправленное./ Под ред. А.И. Ермакова. - М.: Интеграл-Пресс, 2007, - 728 с.

Черных, М.М. Овчаренко. Тяжелые металлы и радионуклиды в биогеоцинозах. - М.: Агроконсалт, 2004.

Н.В. Гусакова. Химия окружающей среды. - Ростов-на-Дону, Феникс, 2004.

Балецкая Л.Г. Неорганическая химия. - Ростов-на-Дону, Феникс, 2005.

М. Хенце, П. Армоэс, Й. Лякурянсен, Э. Арван. Очистка сточных вод. - М.: Мир, 2006.

Коровин Н.В. Общая химия. - М.: Высш. шк., 1998. - 558 с.

Петрова В.В. и др. Обзор свойств химических элементов и их соединений. Учебное пособие по курсу Химия в микроэлектронике. - М.: Изд-во МИЭТ, 1993. - 108 с.

Харин А.Н., Катаева Н.А., Харина Л.Т. Курс химии. - М.: Высш. шк., 1983. - 511 с.

>> Химия: Химические элементы в клетках живых организмов

В составе веществ, образующих клетки всех живых организмов (человека, животных, растений), обнаружено более 70 элементов. Эти элементы принято делить на две группы: макроэлементы и микроэлементы.

Макроэлементы содержатся в клетках в больших количествах. В первую очередь, это углерод, кислород, азот и водород. В сумме они составляют почти 98% всего содержимого клетки. Кроме названных элементов к макроэлементам относят также магний, калий, кальций, натрий, фосфор , серу и хлор. Суммарное их содержание 1,9%. Таким образом, на долю остальных химических элементов приходится около 0,1%. Это микроэлементы. К ним относят железо, цинк, марганец, бор, медь, иод, кобальт, бром, фтор, алюминий и др.

В молоке млекопитающих обнаружено 23 микроэлемента: литий, рубидий, медь, серебро, барий, стронций, титан, мышьяк, ванадий, хром, молибден, иод, фтор, марганец, железо, кобальт, никель и др.

В состав крови млекопитающих входит 24 микроэлемента, а в состав головного мозга человека - 18 микроэлементов.

Как можно заметить, в клетке нет каких-либо особенных элементов, характерных только для живой природы, т. е. на атомном уровне различий между живой и неживой природой нет. Эти различия обнаруживаются лишь на уровне сложных веществ - на молекулярном уровне. Так, наряду с неорганическими веществами (водой и минеральными солями) клетки живых организмов содержат вещества, характерные только для них, - органические вещества (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, витамины , гормоны и др.). Эти вещества построены в основном из углерода, водорода, кислорода и азота, т. е. из макроэлементов. Микроэлементы содержатся в этих веществах в незначительных количествах, тем не менее их роль в нормальной жизнедеятельности организмов огромна. Например, соединения бора, марганца, цинка, кобальта резко увеличивают урожайность отдельных сельскохозяйственных растений и повышают их сопротивляемость к различного рода заболеваниям.

Человек и животные получают нужные им для нормальной жизнедеятельности микроэлементы через растения, которыми питаются. Если в пище не хватает марганца, то возможна задержка роста, замедление наступления половой зрелости, нарушение обмена веществ при формировании скелета . Добавка долей миллиграмма солей марганца к суточному рациону животных устраняет эти заболевания.

Кобальт входит в состав витамина В12, отвечающего за работу кроветворных органов. Недостаток кобальта в пище часто вызывает серьезное заболевание, которое приводит к истощению организма и даже к гибели.

Значение микроэлементов для человека впервые было выявлено при изучении такого заболевания, как эндемический зоб, которое вызывалось недостатком иода в пище и воде. Прием соли, содержащей иод, приводит к выздоровлению, а добавка его к пище в малых количествах предупреждает заболевание. С этой целью проводят иодирование пищевой поваренной соли , в которую добавляют 0,001-0,01% иодида калия.

В состав большинства биологических катализаторов-ферментов входят цинк, молибден и некоторые другие металлы. Эти элементы, содержащиеся в клетках живых организмов в очень малых количествах, обеспечивают нормальную работу тончайших биохимических механизмов, являются подлинными регуляторами процессов жизнедеятельности.

Многие микроэлементы содержатся в витаминах - органических веществах различной химической природы, поступающих в организм с пищей в малых дозах и оказывающих большое влияние на обмен веществ и общую жизнедеятельность организма. По своему биологическому действию они близки к ферментам, но ферменты образуются клетками организма, а витамины обычно поступают с пищей. Источниками витаминов служат растения: цитрусовые, шиповник, петрушка, лук, чеснок и многие другие. Некоторые витамины - А, В1, В2, К - получают синтетическим путем. Свое название витамины получили от двух слов: вита - жизнь и амин - содержащий азот.

Микроэлементы входят также в состав гормонов - биологически активных веществ, регулирующих работу органов и систем органов человека и животных. Название свое они берут от греческого слова хармао - побеждаю. Гормоны вырабатываются железами внутренней секреции и поступают в кровь, которая разносит их по всему организму. Некоторые гормоны получают синтетическим путем.

1. Макроэлементы и микроэлементы.

2. Роль микроэлементов в жизнедеятельности растений, животных и человека.

3. Органические вещества: белки, жиры, углеводы.

4. Ферменты.

5. Витамины.

6. Гормоны.

На каком уровне форм существования химического элемента начинается различие между живой и неживой природой?

Почему отдельные макроэлементы называют также биогенными? Перечислите их.

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки